Nyomásváltó desztillációs rendszer optimalizálása
A desztilláció folyadékelegyek szétválasztása komponenseikre illékonyságkülönbség alapján. Az azeotrop elegyek hagyományos desztillációval nem választhatók szét, valamilyen speciális módszert kell alkalmazni. Ilyen módszer például az extraktív, heteroazeotrop, és nyomásváltó desztilláció. Ezek közül dolgozatomban a nyomásváltó desztilláció lehetőségét vizsgáltam. E műveletet kétkolonnás rendszerben hajtják végre, ahol a két oszlop jelentősen eltérő nyomáson üzemel. A kisnyomású (LPC), és a magasnyomású (HPC) oszlop sorrendje a betáplálás összetételétől függ. Ez az eljárás csak akkor alkalmazható, ha a nyomás változására az azeotrop összetétel (xaz) jelentősen megváltozik.
Egy maximális forrpontú azeotrop elegy (víz(A, 20 mol%)-etilén-diamin(B)) szétválasztását vizsgáltam meghatározott körülmények (oszlopok nyomása, betáplálás mólárama, összetétele, nyomása, hőmérséklete) között. A termékek előírt tisztasága 99,5 mol%. Különböző konfigurációkat vizsgáltam meg, majd a legkedvezőbbet optimalizáltam. Az oszlopok szimulációjára a Chemcad, az optimalizálásra és a költségszámításra a Microsoft Excel programot alkalmaztam. A gőz-folyadék egyensúly leírására az UNIQUAC modellt használtam.
A vizsgálat kiindulási adatait Ferchichi et al. (2022) cikke szolgáltatta, ahol a betáplálás 60 mol%-os volt, azaz mindkét nyomású azeotropnál több vizet tartalmazott. Az általam vizsgált elegy ezzel szemben mindkét azeotropnál kevesebb vizet tartalmazott.
Az optimalizáció célja az éves összköltség (beruházási+üzemeltetési, TAC) minimalizálása. Az optimalizációs változók először csak az elméleti tányérszámok és a betáplálási helyek voltak. Ezután a genetikus algoritmus alkalmazásakor az eddigi optimalizációs változókat bővítettem a visszaforraló hőigényekkel.
Az optimalizáció után a költségek további csökkentése érdekében a hőintegráció alkalmazási lehetőségét vizsgáltam meg. A nagynyomású oszlop fejgőzével fűthető a kisnyomású visszaforralója. Parciális hőintegráció esetén a fejgőz egy részét egy kiegészítő kondenzátorban kondenzálni kellett, míg teljes hőintegrációkor a visszaforraló hőigényét éppen fedezte a fejgőz kondenzálása, így kiegészítő hőcserélőre nem volt szükség.
A kétféle módszerrel végzett optimalizálás eredményeit összehasonlítottam (TAC, számítási igény). Az optimalizálás eredményeként az éves összköltség jelentősen csökkent. Ezzel összemérhető nagyságú, további megtakarítás volt elérhető hőintegrációval is.
A gazdasági összehasonlítás mellett, a környezeti hatást (CO2 kibocsátás) is megvizsgáltam.
Irodalom:
Ferchichi, M., Hegely, L., & Lang, P. (2022). Economic and environmental evaluation of heat pump-assisted pressure-swing distillation of maximum-boiling azeotropic mixture water-ethylenediamine. Energy, 239, 122608. https://doi.org/10.1016/J.ENERGY.2021.122608
szerző
-
Apollónia Dániel
Gépészmérnöki mesterképzési szak
mesterképzés (MA/MSc)
konzulensek
-
Dr. Láng Péter
Egyetemi tanár, Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék -
Dr. Hégely László
egyetemi docens, Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék
